一种简便的土壤中氡气监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于核辐射监测领域，尤其涉及一种简便的土壤中氡气监测装置及监测方法。

背景技术

目前土壤测氡方法常用瞬时法、累积法和表面析出率法，瞬时法是测量当前时刻土壤氡浓度值，通常为数分钟内的土壤氡浓度值；累积法是测量一段时间内的土壤中氡浓度的平均值，通常为数小时以上的氡浓度平均值；表面氡析出率是测量土壤表面单位面积氡析出的量。三种方法中只有累积法能进行长时间测量，时间最长能达到几个月，但它只能求得土壤中氡的饱和值或长久累积值，不能知悉测量过程中浓度变化规律。

如果要观测氡气的变化规律，目前一般有两种方式：一是定期的流动观测，即人工实地反复测量；二是定点连续观测，采用在线仪器固定观测，市电供电并配置机柜或房屋。

但是目前采用的定期流动观测、定点连续观测都有一定的局限性，如定期的流动观测适合短期观测，效率低、数据不连续、结果受到影响的因素多，如：气候、操作误差、仪器状态等；定点连续观测适用于专业场合长期观测，如：地震前兆预警，它装置庞大、成本高、操作较复杂、管理麻烦，难以推广。

发明内容

本发明提供了一种简便的土壤中氡气监测装置及监测方法，本发明主要解决的技术问题是：采用的定期流动观测效率低，数据不连续、结果受到影响的因素多，定点连续观测成本高、操作较复杂、管理麻烦、装置庞大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种简便的土壤中氡气监测装置，包括进气管道，以及通过可拆卸安装在进气管道内部的测氡仪，所述进气管道的一端绕进气管道的圆周设置有多个进气孔，所述进气管道远离设置有进气孔的一端安装有端盖；

所述探测仪包括开口朝向设置有进气孔一端的氡气探测腔，所述氡气探测腔的开口端安装有能够盖合在开口端上的隔水透气膜，氡气探测腔远离开口的一端安装有导电电路板、信号采集电路板、MCU模块、半导体α探测器、信号处理电路板、电源电路板、可充电电池以及设置在外壳上的电源插座；MCU模块，主要功能是协调并控制各个模块运行，包括对数据的采集并分析、数据处理与存储、串口通信。

进一步的，所述氡气探测腔中设置有温度、湿度传感器，用于检测氡气探测腔内部的温度以及湿度。

进一步的，隔水透气膜通过绝缘固定环固定在氡气探测腔的开口端。

进一步的，探测仪的外壳上设置有状态指示灯。

又进一步的，所述进气管道远离进气孔的一端安装有太阳能板。

优选的，所述太阳能板上安装有一支架，支架通过抱箍安装在进气管道上。

进一步的，所述探测仪内设置有通讯模块，使得其能够实现单片机与4G网络或蓝牙交互，从而便于远程信息收集。

优选的，所述进气管道采用PVC塑料管。

优选的，所述进气管道的径向旋入一个螺栓，螺栓头部紧定在管道内壁，所述探测仪放置在螺栓上。

一种简便的土壤中氡气监测方法包括以下步骤：

步骤1：用定位仪等工具确定好测量位置，测量点尽量位于开阔和非积水地段，附近不能有茂密森林等植被遮挡太阳；

步骤2：用挖孔工具在地上打约

步骤3：PVC塑料管露出地面0.3m以上，装上螺栓，把仪器放入PVC管内，置于螺栓上；

步骤4：上端安装的太阳能板方向朝南，保证能被阳光照射；

步骤5：盖上端盖后，氡气开始从进气管道周围的土壤中扩散至进气管道内；

步骤6：防水透气膜隔离部分水蒸气，减少对探测仪的影响，启动测量给氡气探测腔施加正高压，半导体α探测器为低电平，氡气探测腔内部产生定向电场，对带电氡子体实现2π收集；进入氡气探测腔内的氡衰变，释放的带正电氡子体，在高压静电场的作用下吸附在半导体α探测器表面；

步骤7：带电粒子入射到探测介质内而损失能量，介质内产生电子-空穴对，在外电场的作用下，电子-空穴对分别向两电极漂移运动，从而在电极上感应出电荷，电荷在电容C上累积形成电压脉冲；它输出脉冲幅度正比于入射的带电粒子能量，通过行采集电路板上电路检测，可得出带电α粒子的强度和能量；

步骤8：信号预放大，预放大器位于采集电路板上，其输入与探测器相配合，前置放大器采用电荷灵敏放大器，主要是将从半导体α探测器输出的微弱电压信号进行无失真的初步线性放大提供给后续电路；

步骤9：主放大器把小信号放大到需要的幅度，进行滤波成形，主放输出电压幅度控制在0.5～4V；

步骤10：成形后脉冲输入微控制器，采集后计数值，根据式1得到测点的氡浓度，

Q

式中：

Q

K

N——测氡仪(减底数后)计数值，单位为脉冲每分钟(脉冲/min)；

步骤11.式1计数值是由氡子体引起的，氡子体收集效率η直接影响氡浓度的测量，η是由式2所得：

η＝f(H,T,S,E,V) (2)

式中：H为腔体内湿度、T腔体内的温度、探测器灵敏面积S、电场分布E、腔体容积V，其中H、T随环境变化，S、E、V为固定参数；

步骤12.湿度影响修正；事先在室内把仪器进气口加上干燥剂，置于标准氡室内，标准氡室湿度调整到90％左右，随着测量时间的增加，干燥器逐步失效，导致取样腔内部的湿度增加，从而获得不同湿度下对应氡室浓度下的计数值，通过式1获得未修正氡浓度；根据实验数据，做出不同湿度条件下拟合曲线和拟合方程，通过公式3获得湿度影响刻度系数相对修正值：

k

式中：a

步骤13.温度影响修正；事先在室内仪器置于可调恒温氡室中，氡室内浓度稳定，在一个温度点恒定30分钟，然后记录该测量点的测量浓度数据和平均温度数据；得到以最低温度点的浓度值为基数，每个温度点的测量浓度相对值曲线图；根据实验数据，做出不同温度条件下拟合曲线和拟合方程,通过公式2获得温度影响刻度系数相对修正值：

k

式中：a

步骤14.实际工作中，同步测量取样腔体内部的湿度和温度，通过拟合方程(3)(4)修正湿度和温度对氡浓度测量结果的影响，最终氡浓度Q

Q

步骤十五：多台仪器阵列式同时测量，可把氡浓度数据做出曲线或氡异常等值线图，进行对比。

与现有技术相比本发明的有益效果是：本发明把PVC塑料管道埋入地下就可聚集地下氡气，通过在进气管道内部放置探测仪，便于进气管道与探测仪拆卸，仪器不仅小巧，且能够通过太阳能供电，能一定程度避免环境因素影响，相较于现有技术本发明的装置更加简单、成本低、体积小、安装方便、操作简单。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的测氡仪结构示意图；

附图标记说明：1.土壤；2.进气管道；3.进气孔；4.探测仪；5.端盖；6.抱箍；7.太阳能板；8.支架；9.螺栓；10.隔水透气膜；11.氡气探测腔；12.绝缘固定环；13.温度、湿度传感器；14.信号采集电路板；15.导电电路板；16.半导体α探测器；17.信号处理电路板；18.电源电路板；19.电源插座；20.状态指示灯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1和附图2，一种简便的土壤中氡气监测装置，包括进气管道2，以及通过可拆卸的安装方式安装在进气管道2内部的测氡仪，所述进气管道2的一端绕进气管道2的圆周设置有多个进气孔3，所述进气管道2远离设置有进气孔3的一端安装有端盖5；

所述探测仪4包括开口朝向设置有进气孔3一端的氡气探测腔11，所述氡气探测腔11的开口端安装有能够盖合在开口端上的隔水透气膜10，氡气探测腔11远离开口的一端安装有导电电路板15、信号采集电路板14、MCU模块、半导体α探测器16、信号处理电路板17、电源电路板18、可充电电池以及设置在外壳上的电源插座19；MCU模块，主要功能是协调并控制各个模块运行，包括对数据的采集并分析、数据处理与存储、串口通信。

进一步的，所述氡气探测腔11中设置有温度、湿度传感器13，用于检测氡气探测腔11内部的温度以及湿度。

进一步的，隔水透气膜10通过绝缘固定环12固定在氡气探测腔11的开口端。

进一步的，探测仪4的外壳上设置有状态指示灯20。

又进一步的，所述进气管道2远离进气孔3的一端安装有太阳能板7。

优选的，所述太阳能板7上安装有一支架8，支架8通过抱箍6安装在进气管道2上。

进一步的，所述探测仪4内设置有通讯模块，使得其能够实现单片机与4G网络或蓝牙交互，从而便于远程信息收集。

优选的，所述进气管道2采用PVC塑料管。

优选的，所述进气管道2的径向旋入一个螺栓9，螺栓9头部紧定在进气管道2内壁，所述探测仪4放置在螺栓9上。

一种简便的土壤中氡气监测方法包括以下步骤：

步骤1：用定位仪等工具确定好测量位置，测量点尽量位于开阔和非积水地段，附近不能有茂密森林等植被遮挡太阳；

步骤2：用挖孔工具在地上打约

步骤3：PVC塑料管露出地面0.3m以上，装上螺栓9，把仪器放入PVC管内，置于螺栓9上；

步骤4：上端安装的太阳能板7方向朝南，保证能被阳光照射；

步骤5：盖上端盖5后，氡气开始从进气管道2周围的土壤1中扩散至进气管道2内；

步骤6：防水透气膜隔离部分水蒸气，减少对探测仪4的影响，启动测量给氡气探测腔11施加正高压，半导体α探测器16为低电平，氡气探测腔11内部产生定向电场，对带电氡子体实现2π收集；进入氡气探测腔11内的氡衰变，释放的带正电氡子体，在高压静电场的作用下吸附在半导体α探测器16表面；

步骤7：带电粒子入射到探测介质内而损失能量，介质内产生电子-空穴对，在外电场的作用下，电子-空穴对分别向两电极漂移运动，从而在电极上感应出电荷，电荷在电容C上累积形成电压脉冲；它输出脉冲幅度正比于入射的带电粒子能量，通过行采集电路板上电路检测，可得出带电α粒子的强度和能量；

步骤8：信号预放大，预放大器位于采集电路板上，其输入与探测器相配合，前置放大器采用电荷灵敏放大器，主要是将从半导体α探测器16输出的微弱电压信号进行无失真的初步线性放大提供给后续电路；

步骤9：主放大器把小信号放大到需要的幅度，进行滤波成形，主放输出电压幅度控制在0.5～4V；

步骤10：成形后脉冲输入微控制器，采集后计数值，根据式1得到测点的氡浓度，

Q

式中：

Q

K

N——测氡仪(减底数后)计数值，单位为脉冲每分钟(脉冲/min)；

步骤11.式1计数值是由氡子体引起的，氡子体收集效率η直接影响氡浓度的测量，η是由式2所得：

η＝f(H,T,S,E,V) (2)

式中：H为腔体内湿度、T腔体内的温度、探测器灵敏面积S、电场分布E、腔体容积V，其中H、T随环境变化，S、E、V为固定参数；

步骤12.湿度影响修正；事先在室内把仪器进气口加上干燥剂，置于标准氡室内，标准氡室湿度调整到90％左右，随着测量时间的增加，干燥器逐步失效，导致取样腔内部的湿度增加，从而获得不同湿度下对应氡室浓度下的计数值，通过式1获得未修正氡浓度；根据实验数据，做出不同湿度条件下拟合曲线和拟合方程，通过公式3获得湿度影响刻度系数相对修正值：

k

式中：a

步骤13.温度影响修正；事先在室内仪器置于可调恒温氡室中，氡室内浓度稳定，在一个温度点恒定30分钟，然后记录该测量点的测量浓度数据和平均温度数据；得到以最低温度点的浓度值为基数，每个温度点的测量浓度相对值曲线图；根据实验数据，做出不同温度条件下拟合曲线和拟合方程,通过公式2获得温度影响刻度系数相对修正值：

k

式中：a

步骤14.实际工作中，同步测量取样腔体内部的湿度和温度，通过拟合方程(3)(4)修正湿度和温度对氡浓度测量结果的影响，最终氡浓度Q

Q

步骤十五：多台仪器阵列式同时测量，可把氡浓度数据做出曲线或氡异常等值线图，进行对比。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。